Разработка и исследование математических моделей водоочистного комплекса с мембранным биореактором как объекта управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Грудяева Елизавета Камаловна

• Грудяева Елизавета Камаловна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Грудяева Елизавета Камаловна

Введение

1 Анализ технологического процесса биологической очистки сточных вод

как объекта управления

1.1 Требования к очищенной воде

1.2 Описание типового технологического процесса биологической очистки сточных вод

1.3 Классификации и технологические структуры биореакторов

1.4 Модели гидродинамических потоков

1.5 Состав и особенности биохимических процессов активного ила

1.6 Базовые модели биохимических процессов активного ила. Модели ЛБМ

1.7 Обзор методов и состояние проблемы синтеза нелинейных

систем управления

1.8 Обзор методов управления биохимическими процессами очистки

сточных вод

1.9 Постановки задач

Выводы по первой главе

2 Базовые модели биологической очистки

2.1 Модель Моно

2.1.1 Определение типов равновесных состояний

2.1.2 Анализ динамики модели Моно

2.2 Модель Герберта

2.2.1 Определение типов равновесных состояний

2.2.2 Анализ динамики модели Герберта

2.3 Модель Холдейна

2.3.1 Определение типов равновесных состояний

2.3.2 Анализ динамики модели Холдейна

2.4 Модель Кенейла

2.4.1 Определение типов равновесных состояний

2.4.2 Анализ динамики модели Кенейла

Выводы по второй главе

3 Модель биологической очистки ASM1

3.1 Модель нитрификации

3.2 Модель денитрификации

3.3 Полная модель ЛБМ1

3.3.1 Исследование влияния растворенного кислорода на входе реактора

3.3.2 Исследование влияния расхода сточных вод

3.4 Модель двухзонного реактора с рециклом

3.5 Модель трехзонного реактора с рециклом

3.6 Модель реактора с мембранным блоком

3.7 Модель трехзонного биореактора с рециклом и мембранным блоком

3.7.1 Исследование влияния расхода рециркуляционного потока

3.7.2 Исследование влияние концентрации растворенного кислорода

3.7.3 Расчет зависимости растворенного кислорода от расхода воздуха

3.7.4 Исследование влияния расхода сточных вод

3.7.5 Исследование влияния расхода возвратного потока

из мембранного блока

3.8 Сравнение результатов вычислительного эксперимента

и лабораторного анализа

Выводы по третьей главе

4 Система управления процессом очистки сточных вод

4.1 Показатели качества процессов

4.2 Синтез логико-динамического регулятора

4.3 Управление расходом рециркуляционного контура

4.4 Управление концентрацией кислорода

4.5 Управление расходом исходной воды

4.6 Управление расходом возвратного потока из мембранного блока

4.7 Методика параметрической настройки регулятора

4.8 Результаты работы регулятора

4.9 Сравнительный анализ процессов биологической очистки с различными законами управления

4.10 Исследование качества процессов при различных начальных условиях

4.11 Исследование влияния вариаций параметров на качество процессов

4.12 Реализация закона управления в программируемом контроллере

Выводы по четвертой главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование математических моделей водоочистного комплекса с мембранным биореактором как объекта управления»

Введение

Актуальность работы. Растущая потребность в использовании питьевой, технической и промышленной воды связана с увеличением числа населенных пунктов и количества новых производственных объектов. Возрастающий объем сточных вод обусловливает необходимость развития и разработки новых методов и технологий их очистки.

К числу наиболее перспективных и эффективных способов очистки сточных вод относится биологический (биохимический) метод удаления загрязняющих веществ активным илом с использованием мембранной технологии. Организмы активного ила преобразуют соединения азота и фосфора до безопасного для окружающей среды состояния. Очищенная таким способом вода предназначена для сброса в водные источники различного назначения (рыбохозяйственные, культурно-бытовые и т. д.).

Автоматизация технологических процессов очистки сточных вод на основе современных методов и средств управления позволяет повысить качество очищенной воды, регламентируемое нормативными документами.

Важный этап проектирования систем управления технологическими процессами очистки сточных вод составляет разработка и применение адекватных динамических моделей управляемых биохимических процессов. Потребность в математическом моделировании обусловлена сравнительно жесткими требованиями к очистке, ограниченным набором средств измерения, трудностью проведения натурных экспериментов, а также временными затратами на проведение лабораторных исследований и сложностью качественного анализа проб активного ила. В настоящее время потенциальные возможности математического моделирования не находят достаточного практического применения при создании систем управления технологическими процессами очистных сооружений.

Изучение биохимических процессов активного ила с помощью математического моделирования нашло свое отражение в трудах известных исследователей В.В. Кафарова, А.Ю. Винарова, Л.С.Гордеева, В.А. Вавилина, В.Б. Васильева, Н.С. Жмур, Г.Ю. Ризниченко, А.Д. Базыкина, Н.А. Базякина, M. Henze, W. Gujer, P.A. Vanrolleghem, G. Sin, B. Petersen, K. Gernaey, G.A. Ekama, J.L. Gouze, O. Bernard и

многих других.

При проектировании очистных сооружений производится технологический расчет параметров аэротенков (расход, объем и т. д.) с учетом средних показателей загрязняющих веществ. Возмущающие воздействия в виде изменений концентраций этих веществ в исходной воде (субстрате), водородного показателя, температуры окружающей среды и т. п. могут привести к недопустимым отклонениям содержания загрязняющих веществ в очищенной воде (пермеате) от установленных норм и даже к вымыванию активного ила из биореактора. Следовательно, необходимо установить интервалы изменения концентраций возмущающих воздействий и оценить их влияние на исследуемый объект. Для снижения влияния возмущений на качество очистки требуется разработать систему управления технологическими процессами.

Проблемам управления очисткой сточных вод уделяется внимание в трудах В.В. Кафарова, Ю.М. Романовского, Н.В. Степановой, Д.С. Чернавского, E. Ali, J. Busch, S.R. Weijers, M. Barbu, H. Vanhooren, K. Nguen, H. Moral, Y. Zhao, S. Skoges-tad, P.E. Strandberg, L. Lukasse, C.-F. Lindberg, Q. Chai, G.T. Moore и ряда других ученых. Следует заметить, что во многих работах применяются несложные модели процессов, представленные дифференциальными уравнениями невысоких порядков. В то же время используемые в мировой практике исследований математических моделей биохимических процессов типа ASM (модели активного ила), характеризуются сравнительно высокими порядками (30-40 и выше) систем нелинейных дифференциальных уравнений. Разработка и реализация алгоритмов управления по таким моделям на основе известных методов синтеза нелинейных систем, требующих нередко использования нелинейных наблюдателей, затруднительна. Предлагаемые методы синтеза на основе линеаризации нелинейных моделей ограничены в применении при работе системы в условиях существенных возмущений.

Использование распространенных в промышленности ПИД-регуляторов с традиционными методиками настройки параметров, как показывают исследования, зачастую не обеспечивает требуемого качества очистки на всех возможных технологических режимах. Важно также отметить, что принимаемые в Российской Фе-

дерации нормы предельных концентраций загрязняющих веществ для сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения жестче, чем за рубежом, что затрудняет синтез систем управления.

Сказанное позволяет сделать вывод об актуальности цели диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании динамических математических моделей технологического процесса водоочистного комплекса с мембранным биореактором как объекта управления.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1. Выбор технологических структур биореактора для исследования процессов очистки сточных вод.

2. Разработка концептуальных моделей изолированных и взаимосвязанных процессов нитри- и денитрификации в однозонном реакторе.

3. Анализ математических моделей активного ила с целью определения допустимых соотношений параметров биореактора и концентраций загрязняющих веществ в сточных водах.

4. Разработка и исследование математических моделей процессов очистки сточных вод, построенных на базе ASM1, в биореакторах с различной технологической структурой.

5. Разработка алгоритма и структуры управляющего устройства, а также методики параметрической настройки.

6. Исследование системы управления процессами очистки сточных вод в трех-зонном мембранном реакторе с контуром рециркуляции на основе математической модели ASM1.

7. Разработка компьютерных моделей технологических процессов биологической очистки сточных вод.

8. Реализация синтезированного регулятора на базе контроллера Siemens.

Объектом исследования в работе являются технологические процессы биологической очистки сточных вод в реакторах мембранного типа.

Предмет исследования заключается в разработке и анализе неуправляемых

и управляемых динамических математических моделей процессов биологической очистки сточных вод в условиях широкого изменения концентраций загрязняющих веществ.

Методы исследования. При получении теоретических результатов применялись методы качественной теории динамических систем, теории автоматического управления, методы математического моделирования. Расчет и компьютерное моделирование проводились с использованием программных средств MATLAB и Maple.

Основные научные результаты диссертационной работы

1. Концептуальные модели изолированных и взаимосвязанных процессов нитри- и денитрификации в однозонном реакторе.

2. Аналитические зависимости, ограничивающие значения технологических параметров реактора и концентраций загрязняющих веществ для базовых моделей биоочистки и моделей нитри- и денитрификации.

3. Математические модели процессов в двух- и трехзонном биореакторах с рециклом активного ила и мембранным блоком.

4. Алгоритм и структура управляющего устройства, а также методика параметрической настройки.

5. Математическая модель управляемых процессов биологической очистки сточных вод трехзонного мембранного биореактора с рециклом активного ила.

Степень новизны научных результатов

1. Концептуальные модели процессов активного ила в однозонном реакторе, в отличие от существующих, отражают взаимовлияние реагирующих компонентов процессов нитри- и денитрификации и качественно характеризуют их тенденции изменения, что упрощает разработку математических моделей управляемых процессов.

2. Математические модели базовых биохимических процессов, а также процессов нитри- и денитрификации отличаются аналитически установленными граничными соотношениями параметров биореактора и концентраций загрязняющих веществ в исходной воде, что позволяет предотвратить вымывание ила из технологического пространства биореактора.

3. Математические модели биологической очистки в двух- и трехзонном биореакторах с рециклом активного ила строятся на базе модели АБМ1 и отличаются наследуемым характером топологических особенностей моделей нитри- и де-нитрификации, а также возвратным потоком из мембранного блока при неидеальной фильтрации.

4. Логико-динамическое управляющее устройство характеризуется многомерностью, многосвязностью, иерархической структурной организацией и обеспечивает требуемые показатели качества на различных режимах работы биореактора. Методика параметрической настройки управляющего устройства ориентирована на нелинейную модель трехзонного мембранного реактора, основанную на АБМ1.

5. Математическая модель управляемых процессов биоочистки отличается логико-динамическим регулированием выходных концентраций загрязняющих веществ в условиях значительных изменений их концентраций в исходной воде.

Положения диссертационной работы, выносимые на защиту

1. Усовершенствованные математические модели процессов биологической очистки сточных вод с граничными соотношениями расхода сточных вод и концентраций загрязняющих веществ на входе биореактора.

2. Математические модели процессов в многозонных биореакторах с рециклом активного ила и мембранным блоком.

3. Логико-динамическое устройство управления биохимическими процессами, представленными математической моделью АБМ1.

4. Математическая модель управляемого процесса биологической очистки сточных вод для трехзонного мембранного биореактора с рециклом активного ила.

Степень достоверности научных результатов. Достоверность исследований подтверждается корректным использованием математического аппарата, обоснованностью используемых ограничений и допущений, сравнением результатов анализа и моделирования с данными натурных экспериментов на производственном объекте - очистном сооружении, апробацией результатов диссертационной работы в виде докладов на научно-технических конференциях и публикациями в периодической печати.

Практическая ценность полученных результатов заключается: в установленных граничных соотношениях, связывающих параметры биореактора и концентрации загрязняющих веществ в исходной воде, и накладываемых ограничениях на управляющие воздействия; в разработанной системе управления, обеспечивающей очистку сточных вод в широком спектре загрязнений; в методике параметрической настройки логико-динамического регулятора; в универсальных компьютерных моделях управляемых процессов очистки сточных вод; в программно-аппаратной реализации регулятора на базе программируемого логического контроллера Siemens CPU 315-2 PN DP.

Реализация результатов

Полученные в работе результаты внедрены в практику проектирования систем управления технологическими процессами очистки сточных вод производственно-инжиниринговой компании ЗАО «Акваметосинтез» г. Санкт-Петербурга, о чем имеется соответствующий акт.

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры автоматики и процессов управления Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) при проведении практических занятий и курсового проектирования по учебным дисциплинам «Моделирование систем управления», «Математическое моделирование объектов и систем», а также при выполнении студентами выпускных квалификационных работ по направлению «Управление в технических системах» подготовки бакалавров и магистров.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 4-й, 5-й и 7-й международных научных конференциях «Системный синтез и прикладная синергетика» в 2011, 2013, 2015 гг., 3-м национальном научном форуме «Нарзан - 2015» Актуальные проблемы гидролитосферы (диагностика, прогноз, управление, автоматизация)», 9-й Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем» (МКМ - 15), Всероссийской научной конференции по проблемам управления в технических системах (ПУТС-2015), XXXI международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» в

2015 г., а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2012-2015 годах.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в четырнадцати печатных работах, в том числе в семи журнальных статьях (шесть из них из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов), и семи работах в сборниках материалов международных и всероссийских научных и научно-технических конференций.

1 Анализ технологического процесса биологической очистки сточных вод

как объекта управления

Получение математической модели (ММ) управляемого технологического процесса (ТП), анализ и синтез систем управления (СУ) в общем случае осложняются следующими обстоятельствами:

- высокими порядками изучаемых моделей, динамика которых описывается нелинейными обыкновенными дифференциальными уравнениями (ДУ);

- большим числом существенных нелинейных характеристик; сложностью структурной организации взаимодействующих потоков;

- сложной конфигурацией технологических аппаратов;

- многокомпонентностью субстрата на входе, а также действием внешних возмущений;

- динамической гетерогенностью биохимических процессов;

- различием входных режимов работы системы и разнообразием поведения в зависимости от начальных условий;

- неоднозначностью состояния равновесия;

- функциональной и параметрической неопределенностью моделей;

- неоднородным характером распределения реагирующих компонентов в объеме;

- сложностью либо невозможностью измерения ряда компонентов.

В большинстве случаев научные изыскания в области биологической очистки направлены на создание методов и способов интенсификации процессов за счет усовершенствования технологических и конструктивных решений. Ведется поиск зависимостей показателей биологической очистки от состава и степени загрязняющих веществ, учета влияния различных внешних факторов (например, температуры, водородного показателя, притока кислорода) на качество выходных продуктов. Многие теоретические методы исследований связаны с оптимизацией геометрических и технологических параметров основных элементов очистных сооружений, а также со снижением энергозатрат и сокращением расхода подаваемого кислорода.

Значительно меньше внимания уделяется вопросам топологического анализа и определения особенностей поведения динамических объектов. Эти вопросы могут оказаться ключевыми при выявлении наиболее эффективных режимов работы, а также для прогнозирования аварийных (катастрофических) ситуаций. Требования сегодняшнего дня должны быть направлены на разработку динамических моделей управляемых ТП, на основе которых только и возможно современное проектирование оптимальных СУ процессами биоочистки.

Разработка и исследование адекватных динамических ММ управляемых процессов составляет основную научную проблему в области математического моделирования и управления процессами биохимической очистки сточных вод. Необходимость в их разработке связана с требованиями высокого качества очистки, ограниченным набором первичных измерительных преобразователей (датчиков), временными издержками при лабораторном анализе.

1.1 Требования к очищенной воде

Технологии очистки сточных вод развивались вместе с цивилизацией. Подробно с историей развития очистных сооружений со времен Древнего Рима и Древней Греции до начала 20 века можно ознакомиться в [1].

По своему назначению водные источники подразделяют на рыбохозяйствен-ные, хозяйственно-бытовые и культурно-бытовые. В свою очередь рыбохозяй-ственные разделяют на две категории: применяемые для ценных пород рыб с высокой чувствительностью к кислороду и используемые для других рыбохозяй-ственных целей [2]. Нормы сброса очищенных сточных вод зависят от класса и категории водного объекта.

Ввиду сложности состава и невозможности определения каждого загрязнителя применяют так называемые групповые показатели, характеризующие свойства воды. Общие требования к составу и свойствам воды сформулированы в гигиенических требованиях к охране поверхностных вод, введенных в 2001 г. [3]. Полный санитарно-химический анализ включает следующие характеристики: температура; окраска; за-

пах; прозрачность; водородный показатель (рН); сухой остаток; взвешенные вещества; перманганатная окисляемость; химическое потребление кислорода (ХПК) - количество кислорода, потребляемое при химическом окислении содержащихся в воде органических и неорганических веществ под действием различных наиболее сильных окислителей; биологическое потребление кислорода (БПК) - количество растворенного кислорода, потребляемого микроорганизмами за установленное время и в определенных условиях при биохимическом окислении содержащихся в воде органических веществ, характеризует содержание легкоокисляемых органических веществ, способных к биохимическому разложению; фосфаты; хлориды; сульфаты; азот (общий, аммонийный, нитритный, нитратный); тяжелые металлы; поверхностно-активные вещества; нефтепродукты; растворенный кислород; микробное число; бактерии группы кишечной палочки; яйца гельминтов [2].

Из множества элементов и соединений (более 1000) осуществляется выбор наиболее опасных и наиболее характерных для сбрасываемых в водные объекты данного региона сточных вод [3]. Сущность их выбора сводится к последовательному исключению из общего перечня поступающих в водный объект (водоем, водоток или иной объект с водным режимом) тех загрязняющих веществ, которые не приоритетны для контроля. В итоге качество воды водного объекта на региональном уровне оценивается как по общим показателям, единым для всех водных объектов страны, так и по дополнительному перечню приоритетных загрязняющих веществ, специфичных только для данного региона и для данного источника загрязнений. Выбор приоритетных показателей водного объекта осуществляется учреждениями государственной санитарно-эпидемиологической службы по определенным критериям:

- специфичность вещества для сточных вод, поступающих в водные объекты региона;

- степень превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) вещества в воде водного объекта;

- класс опасности и лимитирующий признак вредности;

- канцерогенность;

- частота обнаружения вещества в воде;

- тенденция к росту концентраций вещества в воде при долговременном наблюдении;

- биоразлагаемость;

- степень контакта вещества с населением.

В соответствии с современными действующими в России нормами ПДК при сбросе сточных вод в водные объекты культурно-бытового водопользования концентрация аммония солевого в расчетном створе не должна превышать 2 мг/л, нитратов - 10 мг/л [4]. Для объектов рыбохозяйственного водопользования ПДК аммония солевого составляет 0,39 мг/л, нитритов - 0,02 мг/л, нитратов - 9 мг/л (Приказ Росрыболовства от 18.01.2010 № 20), ХПК не более 30 мг О2/л [3].

Для постоянного контроля влияния антропогенных факторов на окружающую среду, и, в частности, соответствия водных объектов физическим, химическим и гидробиологическим показателям, существует Государственная служба наблюдений. В обязанности данной службы входит выполнение режимных, специальных и экспедиционных наблюдений [5].

Требования к качеству очищенной воды, поступающей во все водные объекты, в нашей стране являются более жесткими в сравнении с нормами Евросоюза, а также Украины [6], особенно если учесть, что большинство водных объектов в Российской Федерации причислены к рыбохозяйственному пользованию. Поэтому при проектировании городских очистных сооружений санитарные органы требуют строгого соблюдения вышеуказанных нормативов.

Сточные воды по происхождению подразделяют на три категории: хозяйственно-бытовые, производственные и атмосферные. К основным характеристикам сточных вод причисляют расход, виды и концентрации загрязнений, а также степень равномерности их поступления в стоки. Разнообразие категорий и качества сточных вод определяет выбор соответствующей системы водоотведения и метода очистки.

Сточные воды химических и нефтехимических производств не могут очищаться с помощью биологического метода, поскольку они содержат токсичные для организмов вещества. Такие воды должны проходить предварительную обработку

для возможности последующего использования очистки активным илом.

Для дальнейшего исследования в качестве точки сброса очищенной воды выбран водный объект рыбохозяйственного назначения, поскольку принадлежит к числу наиболее многочисленных в нашей стране.

1.2 Описание типового технологического процесса биологической очистки

сточных вод

Технология биологической очистки применяется для обработки как промышленных стоков, так и хозяйственно-бытовых. Промышленная установка очистки стоков представляет собой систему, состоящую из последовательно соединенных технологических блоков (подсистем), отвечающих за определенные виды очистки - механическую, биологическую, обеззараживание, а также за процесс обезвоживания. Функциональная схема системы биологической очистки [7] изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Функциональная схема системы водоочистного комплекса

Исходные сточные воды подаются в подсистему предварительной механической очистки, включающей резервуар со ступенчатыми решетками для фильтрации крупного мусора. После этого вода идет на роторно-сетчатые фильтры, где происходит механическая очистка менее крупного мусора, и далее вода поступает в резервуар-усреднитель.

В усреднителе находятся дренажные насосы для равномерной подачи сточных вод в биореактор. Кроме того, внутри усредняющей емкости может располагаться теплообменник для нагрева сточных вод в холодное время года.

Из подсистемы механической очистки вода поступает в подсистему биологи-

ческой очистки, а именно, мембранный биореактор, который служит для проведения биохимического процесса окисления загрязняющих веществ. Вместе с исходной водой в резервуар реактора подается возвратный концентрированный активный ил и раствор коагулянта. В биореакторе происходит интенсивная аэрация сточных вод. Нагнетателем воздуха служит компрессор (или несколько компрессоров, в зависимости от объема реактора и требуемого количества воздуха (кислорода)). Часть иловой смеси поступает на обезвоживание в случае увеличения биомассы (вспухание активного ила) сверх нормативных значений, что снижает общую минерализацию иловой массы.

Далее вода погружным центробежным иловым насосом подается в блок ультрафильтрационных мембран (УМ), где биологически очищенная вода отделяется от ила. Полупроницаемость мембраны обеспечивает проникновение чистой воды сквозь ее поверхность. Отверстия в мембране не позволяют активному илу попасть в трубопровод с пермеатом (очищенной водой). Иловая смесь остается внутри мембранной трубки и циркулирует по трубопроводу (рисунок 1.2), при этом часть смеси возвращается в биореактор.

Очищенная вода

Сточные воды из усреднителя

Биореактор

Иловая смесь

Пермеат

Мембрана Иловая смесь

Циркуляция иловой смеси

Возвратный активный ил

Рисунок 1.2. Функциональная схема подсистемы биологической очистки

По мере циркуляции иловой смеси мембранные трубки теряют свойства проницаемости и нуждаются в промывке. Существуют различные способы промывки УМ. На практике широко используется способ, применяемый для промывки горизонтальных мембранных блоков типа «Кросс-флоу» («Cross flow», поперечный поток), для некоторых их них не применима обратная промывка (спирально-наливные полимерные мембраны) [8]. Периодически проводится промывка очищенной водой, подаваемой в направлении фильтрации (рисунок 1.3) из резервуара очищен-

ной воды, обозначаемый на схеме как РОВ. Налет ила внутри поверхности мембранной трубки отделяется и возвращается в биореактор.

Очищенная

Рисунок 1.3. Функциональная схема промывки горизонтальной мембраны

После промывки очищенной водой осуществляется цикл химических промывок, при котором в контур циркуляции иловой смеси подаются поочередно различные химические растворы. В результате такой процедуры загрязнения лучше поддаются воздействию и смываются напором воды. Жидкость сливается в усреднитель, разбавляется водой до безопасных концентраций и возвращается на биологическую очистку.

Второй способ промывки мембран обычно используется для ультрафильтрационных устройств типа «Эйр-лифт» («Air-Lift», подъем воздуха) [9]. Устройства располагаются вертикально. Подача воздуха осуществляется в противотоке иловой смеси. Схема обратной промывки мембран этого типа приведена на рисунке 1.4. При обратной промывке очищенная вода подается в УМ в направлении, обратном направлению фильтрации. В том же направлении проводится химическая промывка.

Рисунок 1.4. Функциональная схема обратной промывки вертикальных мембран

Работа подсистемы обеззараживания является завершающим этапом в технологической линии очистки. В этом устройстве установлены ультрафиолетовые лампы обеззараживания, обеспечивающие соответствие воды нормам экологического сброса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Грудяева Елизавета Камаловна, 2016 год

- к„

1

00

1

0 — 0 Т

0 0 0

0 0 -

1

0 0 0 ---кк 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

-1 - к.

0 0 0 0 0

0 ^

Т J

Тогда характеристический полином записывается как

ёй(АЕ -1) = 1 (/Т - Т\ - ТА -1 )(Т\ + ТА +1 )2 (ТА +1 )4.

Из этого выражения следует наличие вещественных корней кратности 4 и 2, что обусловливается особенностью структуры матрицы Якоби. Корни характеристического многочлена:

5,

5 0

5

по 0

А1234 =-1; А56=-^; А7=-1+ ___

1,2,3,4 Т' 5'6 Т ' 7 Т ЦъьЧ + К к 50 + Кя51яЛ + Кпо

- ъ

В случае 0 кратность корней достигает 6, при этом матрица J становится нижнетреугольной.

Поскольку первые шесть корней всегда вещественны и отрицательны, на устойчивость состояния равновесия (3.14) влияет только корень А7.

Бифуркационное условие А7 = 0 перехода из устойчивого состояния в неустойчивое имеет место тогда, когда соблюдается одно из следующих равенств: концентрация кислорода на входе

К (ЪТТ +1)(5вх + К )

я \ к /у по по)

5

вх

я шш

К

ок

Т ^ъкV + К

5пвх -(ЪТ +1)(^ + Кпо)

(3.17)

ок

концентрация аммония на входе

113

К (ъ?+1)(б;х + )

т ЦънЛ*

К

оН

Б о + Кон

-(ъ?+1)( б;х+к,)

(3.18)

расход стоков на входе

с

овх = г

мьнле

К

оН

-гвх по

V '"'о 1

концентрация растворенного кислорода

Б + К, Бвх + К Бвх + К

, по

(3.19)

т цънконл x б;х

- К

оН'

(3.20)

о шах (ъ? +1)( Бпх + Кпо)(К, + БГ) На рисунке 3.8 приводятся графики концентраций составляющих денитри-фикации. Если концентрация нитратов Б™ меньше критического значения (3.18), особая точка (3.14) является устойчивой (прерывистые линии). При этом наблюдается вымывание ила. В случае, когда концентрация нитратов меньше критического значения, особая точка (3.14) не устойчива (сплошные линии); система переходит в особую точку (3.15).

Рисунок 3.8. Процессы перехода системы в точку роста и точку вымывания 2. Исследуется устойчивость особой точки с координатами (3.15). На рисунке 3.9 представлена зависимость следа матрицы и( Бв^) от концентрации нитратов на входе. Исследования показали, что при изменениях входных концентраций Бвх и Бвх в пределах исследуемых значений, след матрицы Якоби и < 0.

Анализ 3 на промежутке изменения входной концентрации нитратного азота

вх

по Ш1П

5вх <=

5по е

К (ЪкТ +1)( 5вх + Кя)

К

ок

Т ^5. + К

■5Г -(Ь„Т +1)( 5Г + К)

ок

указывает на неустойчивость особой точки, что соответствует условию (3.18), т. е. система переходит в устойчивое состояние равновесия (3.14).

Рисунок 3.9. Зависимость следа матрицы J от входных концентраций На промежутке

5,

вх

по

К (ЪкТ +1)( 5вх + Кя)

Т МъкЛс

К

-; да

ок

-(ЪкТ+1)( 5вх+)

V

5о + К

особая точка является устойчивой.

График зависимости ёеЦ^х) изображен на рисунке 3.10, а. На рисунке 3.10, б выделенная область соответствует входным концентрациям, при которых точка (3.15) неустойчива; система переходит в точку вымывания ила (3.14).

а б

Рисунок 3.10. Зависимость определителя матрицы J от входных концентраций

3. Исследуется устойчивость особой точки с координатами (3.16). Исследования на промежутках входных концентраций Бвх и Б™ в пределах исследуемых

значений показали, что одна из координат особой точки всегда отрицательна. Это говорит о том, что состояние равновесия (3.16) физически не достижимо.

Характер поведения в окрестности состояний равновесия модели денитрифи-кации схож с поведением особых точек модели нитрификации. Граничное критическое соотношение параметров модели для перехода в точку роста или точку вымывания ила выражается через минимальные концентрации легко биологически разложимого вещества и нитратного азота на входе системы очистки или максимальные значения расхода исходной воды и концентрации растворенного кислорода.

Таким образом, управлять процессом очистки можно путем изменения подачи кислорода и входного расхода сточных вод. В связи с этим необходимо учитывать условие (3.19) для того, чтобы избежать подавления процесса денитрифи-кации кислородом и сохранить популяцию бактерий в случае обедненных стоков.

В результате исследований для модели денитрификации определены равновесные состояния, которые качественно схожи с особыми точками модели нитрификации. Определено граничное (критическое) соотношение параметров модели для перехода из точки роста в точку вымывания ила, выраженное через минимальные концентрации нитратного азота, или легко биологически разложимого вещества на входе системы, или максимальные значения концентрации растворенного кислорода расхода исходной воды.

3.3 Полная модель Л8М1

Рассматриваемая полная модель ЛБМ1 характеризуется процессами нитрификации и денитрификации, а также взаимным влиянием этих процессов [41]. С помощью ЛБМ1 описываются процессы в аэрируемом реакторе (аэротенке), не разделенном на зоны. Полагается, что во входном потоке присутствует только аммонийный и нитратный азот, и кроме того, легко биологически разложимое вещество.

В модели ЛБМ1 принимаются следующие допущения [42]:

- температура среды постоянна;

- pH постоянный и близок к нейтральному;

- все кинетические параметры стационарны;

- эффекты ограничения неорганических питательных веществ на удаление органического субстрата и клеточный рост отсутствуют;

- биомасса гетеротрофов гомогенна и не подвергается изменениям видов;

- захват дисперсной органики в биомассе считается мгновенным;

- гидролиз органической материи и гидролиз органического азота объединены в единый процесс;

- отсутствует влияние акцептора электронов на потерю биомассы при распаде.

Также авторами модели ASM1 вводились ограничения:

- скорость роста или время удержания твердых веществ должны быть в диапазоне, позволяющем развиваться биомассе (смысл данного ограничения раскрыт в 3.1 и 3.2);

- объем неаэрируемой фракции не должен превышать 50% общего объема, чтобы не ухудшались седиментационные свойства ила. Однако седиментационные свойства ила для данного объекта можно не учитывать, поскольку отделение ила от очищенной воды проводится в мембранном блоке, а не в отстойнике;

- интенсивность перемешивания в аэрируемой зоне должна быть пропорциональна объему подаваемого воздуха. В данной работе, как и в работе авторов модели, используется ячеечная модель на базе модели идеального смесителя, поэтому данное ограничение излишне.

В дополнение к ограничениям и допущениям, принятым для ASM1 считается, что кислород растворяется мгновенно.

Концептуальная модель ASM1 приведена на рисунке 3.11 в виде схемы взаимодействия отдельных процессов нитрификации и денитрификации, дающей представление о взаимовлиянии компонентов.

Аммонификация растворимого органического азота

5,

пЖ

Гидролиз органического азота

5,

пк

Рост

нитрифицирующих бактерий (аэробный)

-И Х

Ъа

Распад нитрифицирующих бактерий

5,

щел

А

5„

5

Х

5

Рост

денитрифицирующих бактерий (аэробный)

'С

ХПК

5Х И

£1

Гидролиз органического вещества

—-- , ▼ , г

Рост денитрифицирующих ^ хЬк\ > ^

ХпжУ+-

Хг

<—Х5 к

бактерий (анаэробный)

Распад денитрифицирующих бактерий

Рисунок 3.11. Схема взаимодействия компонентов модели ASM1

В соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3.11, ММ аэрируемого биореактора с одной зоной записывается системой нелинейных ДУ вида (всего 11

уравнений):

ЖХЪа _ ХЪВ: - ХЪа

Жг

Т

ЖХЪк _ ХЪк - ХЪк

Жг

Т

+ ГЪа ;

+гък;

Ж5пк = 52 5пк

Жг Т

Ж5по _ 52 - 5по

Жг

Т

+ гпк;

+ Г '

по

Ж5„ 5„вх - 5

Жг Т

ЖХ Хвх - Х

+г;

Жг Т Ж5„ 5вх - 5„

+ г

я'

о _ о о

Жг

Т

+ г,;

Ж5пЖ _ 5Тх 5пЖ

Жг

Т

+гпЛ;

ЖХпЖ _ Х2 - ХпЖ

Жг

Т

+гпЖ;

ТО Г.1Ж _ о

Ж5а1к _ 5 а1к 5а1к

Жг

Т

+ Га1к ;

ЖХр_Х- - Хр

Жг

+ Гр -

гр Р -

где скорости изменения концентраций в результате химических реакций выражаются через концентрации следующим образом:

ГЪа =

5,

5„

пк _ Ъ

+ к 5 + К ,

V пк пк о оа у

ХЪа;

ГЪк =

■ък

5„

5 + К

5

я у V 5о + Кок

К

ок

5

8 5о + Кок 5по + Кпо у

ХЪк;

1 - У

г„„ = --

"Мъл"

Б„

"Л,

К

2,86^' ™БЯ + К, Бо + КоЬБпо + Кпо

бпо у , 1 Бо

Хън + 7ТМ

Уа ^^ БпН + КпНБо + Коа

-Х

ъа

ГпН ^%ъ

\г

Мън

Б + К

К

V , , У V о оН

Б + К

+ Л

оН

8 Бо + КоН Бпо + Кпо У

Хън -

у + 1хЬ

V Уа У

Ми

пН

Б , + К, Б + К

пН пН о оа

Хъа + каБпбХъН ';

Г =

У

Мън

Б + К.

V , , У V о оН

Б + К

+Л

К

оН

8 Бо + КоН Бпо + Кпо У

X +

+ъ х,/ХъН

к + х / х,

Б„

х , ъН \ о оН

Б + К

+ лн

К

оН

Б

Бо + КоН Бпо + Кпо У

х;

Гх, =(1 - /р )(ЬХъН + ъаХъа )

Х, 7 ХъН

К + Х / Х

х ,

ъН

К

оН

Б + +ЛнБ + К, Б + К

V о оН

Х

ъН

о оН по по У

1 - У

Г = —

"Мын"

Б„

Ун "" Б, + К, Бо + Кон

Бо Х - 4,57 -м _^

Х ъН Миа

Б

У

БпН + КпН Бо + Коа

-Х

ъа'

Г =

к Хпа 7 Хън

К + Х / Х

ън

Б„

V Бо + Кон

+ Лн

К

оН

Б

Бо + КоН Бпо + Кпо У

' каБпй

Хън;

Гхп^ = (1хъ - /Рхр )(ЬнХъН + ъаХъа ) - К

X, / Х

п^ ъН

Кх + Х, / Хън

X

X

Б„

V Б + К,

V о оН

+ Лн

К

оН

Б

Б + ^ Б + К ,

о оН по по У

Хън;

г =

а1к

V 40,04Ун 14 У

МънЛ,

Б К

оН

Б.

Б + КБ + К , Б + К

, я о оН по по

по

Хън ~

I

Б Б 1

±1,__о у +_!_ кБ Х -

14 ън Б +КБ +Кок ън +14кАХ

хъ

Мън'

, я о

гI 1 л хъ +__

I4 7У У

Б

пН

Б

Мта С ¡Г С _1_ /Г ъа;

БпН + КпН Бо + Коа

= /р (ЬнХн - ъаХЬа).

(3.21)

Для удобства восприятия составляющие модели, дополнительные к таблицам 3.1 и 3.2, их обозначения и единицы измерения сведены в таблицу 3.3.

о

г

Таблица 3.3

Наименования величин, обозначения и единицы измерения модели ASM1

№ Наименование величин и параметров Обозначение Единицы измерения

1 Концентрация твердых продуктов распада биомассы хр г ХПК/м3

2 Фракция биомассы, приводящая к дисперсным продуктам /р -

3 Корректирующий фактор для гидролиза согласно аноксидным условиям Чк -

4 Константа полунасыщения для гидролиза медленно разлагаеомго субстрата Кх -

3.3.1 Исследование влияния растворенного кислорода на входе реактора

Ставится задача анализа влияния концентрации растворенного кислорода 50вх на входе реактора на процессы нитрификации и денитрификации. В результате моделирования процессов с использованием программного средства MATLAB/Sim-ШтЬ: были получены графики, представленные на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12. Процессы изменения концентраций при различных концентрациях кислорода на

входе

Как видно из графиков, существует минимальная концентрация кислорода 5ВХ, способствующая росту популяции бактерий-нитрификаторов, что соответствует бифуркационному условию (3.8) для модели нитрификации в отсутствии де-нитрификации. Это условие также является ограничением при управлении концентрацией кислорода (нижняя граница концентрации).

Таким образом, повышая концентрацию растворенного кислорода в зоне нитрификации, а также снижая ее в зоне денитрификации, можно добиться лучшего

качества воды на выходе системы. Это следует из того, что установившееся значение концентрации аммонийного азота снижается при увеличении концентрации кислорода, а концентрация нитратов меняется противоположным образом.

На рисунке 3.13 приводятся процессы в биореакторе, описываемые моделью ASM1 при наличии и отсутствии подачи растворенного кислорода на входе системы, что обусловливает во втором случае отмирание нитрификаторов. Концентрация нитратов при этом снижается. Стоит заметить, что при этом снижается и концентрация денитрифицирующих бактерий. Это объясняется тем, что процесс нитрификации позволяет расти субстрату за счет денитрифицирующих бактерий -нитратного азота, а при отсутствии нитрификации количество нитратного азота снижается. Поэтому для эффективной очистки возникает необходимость разделения биореактора на функциональные зоны. В аэрируемых зонах преобладают процессы нитрификации, в не аэрируемых - денитрификации.

Рисунок 3.13. Влияние кислорода на процессы в биореакторе

3.3.2 Исследование влияния расхода сточных вод

Ставится задача исследования влияния расхода 0ВХ на процессы изменения

концентраций на выходе. Для заданных параметров модели: Бвх = 10 г 02/м3; Бвх = 17,8 г /м3; Б^ = 11 г КО- /м3; Б5ВХ = 80 г ХПК/м3; V = 100 м3, существует оптимальное значение входного расхода сточных вод для удаления аммонийного азота (Qвx = 5 м3/сут на рисунке 3.14), соответствующее максимальной концентрации нитрификаторов. В случае превышения этого значения начинается снижение

концентрации нитрификаторов, а затем - их полное вымывание. При этом денит-рификаторы продолжают расти, поскольку их максимальная удельная скорость роста в несколько десятков раз выше. Максимальная концентрация денитрификато-ров достигается при = 150 м3 /сут, однако концентрация нитратов при этом не является минимальной, поскольку бактерии используют для окисления растворенный кислород вместо связанного кислорода в нитратах. Дальнейшее увеличение расхода сточных вод на входе до значения = 435 м3/сут приводит к вымыванию денитрификаторов. Таким образом, управление расходом потока исходной воды, при котором происходит вымывание культуры из соответствующей зоны, должно учитывать максимальное значение (^вх = 20 м3/сут и ^вх = 435 м3/сут) а также -значения входных концентраций загрязнителей.

Рисунок 3.14. Зависимости координат состояний равновесия от расхода стоков на входе

Также для модели в результате проведения вычислительного эксперимента определены три состояния равновесия: состояние полного вымывания обеих культур; состояние вымывания нитрификаторов и роста денитрификаторы; состояние роста обеих культур.

На рисунке 3.15 приводятся переходные процессы концентраций при различных значениях расхода исходной воды.

Следовательно, для аэротенка (реактора с одной зоной) экспериментально подтвержден наследуемый характер топологических особенностей моделей нитри-

и денитрификации в полной модели ASM1. Данный вывод сделан на основе влияния концентрации растворенного кислорода на входе системы.

Рисунок 3.15. Переходные процессы при различных значениях расхода на входе

Характер процессов в результате моделирования позволил установить наличие минимальной концентрации растворенного кислорода для размножения нитрифицирующих бактерий, а также максимальной - для денитрифицирующих (как и в предыдущих исследованиях моделей нитри- и денитрификации).

Наследуемый характер особенностей подтверждается также исследованием влияния расхода сточных вод. В результате были обнаружены три физически достижимых состояния равновесия: точка роста нитри- и денитрифицирующих бактерий, точка роста бактерий-денитрификаторов и бактерий-вымывания нитрифи-каторов, точка вымывания нитри- и денитрифицирующих бактерий.

3.4 Модель двухзонного реактора с рециклом

Типовая технологическая схема очистных сооружений с предвключенной де-нитрификацией приведена в [15]. Рассматривается биореактор, состоящий из двух зон - денитрификации (зона 1) и нитрификации (зона 2), причем из второй в первую предусмотрен рециркуляционный поток. В качестве модели кинетики выбирается ASM1. В зону нитрификации обеспечивается подача кислорода. Временные задержки в нитрификаторе и денитрификаторе не учитываются. Тогда ММ с учетом (1.3) может быть представлена системой из 18 нелинейных ДУ:

dS1_ 0ВХ свх , Ор

^ = Sвх Лг V V

(3.22)

где индексы 1 и 2 означают соответствующие зоны биореактора; X - концентрации взвешенных веществ (, , Х!!, ); S - концентрации растворенных веществ (

^, Япо, ^, ^, ^); гх, Ь - скорости изменения соответствующих концентраций в

результате химических реакций согласно (3.21).

Вычислительные эксперименты с применением модели (3.22) показали, что существует область входных значений субстрата и кислорода, при которых концентрации реагентов принимают отрицательные физически не достижимые значения. Поэтому на модель накладываются не предусмотренные в [41] дополнительные ограничения: концентрации составляющих неотрицательны, т. е.:

Графики зависимостей установившихся значений концентраций в зависимости от расхода рециркуляционного потока в первой и второй зонах представлены соответственно на рисунке 3.16 и рисунке 3.17. Параметры моделирования:

Явх = 10 г 02/м3; = 17,8 г ВД^3; Я„вх = 11 г Ш3-/м3; Я5ВХ = 80 г ХПК/м3;

Ов = 10 м3/сут. Для принятых концентраций загрязнений на входе увеличение расхода рециркуляционного потока снижает концентрацию аммонийного азота, при этом концентрация нитратного азота повышается. Происходит подавление процесса денитрификации в первой зоне за счет поступления кислорода в возвратном потоке, что позволяет ускорить нитрификацию в этой зоне. Поэтому возникает рост

X, . > 0, X,, > 0, Я , > 0, Я . > 0, Я > 0, X > 0,

Ъса — ' ЪЫ — ' пЫ — ' по1 — ' .п — ' .и — '

Я > 0, Я , > 0, X , > 0, Я ,, > 0, X > 0.

01 — ' пл — ' пЛ — ' с1к1 — ' р —

(3.23)

нитратного азота. Кроме того, рост идет за счет сокращения популяции денитри-фикаторов в первой зоне. Поток рецикла увеличивает не только обратное движение жидкости в реакторе, но и прямое - самотек из первой зоны во вторую, поэтому во второй зоне увеличивается концентрация денитрификаторов. В связи с тем, что вторая зона насыщается кислородом, процесс денитрификации ухудшается и в первой, и во второй зонах.

0 20 40 60 SO 100 0 20 40 60 SO 100 0 20 40 60 SO 100